【文章內(nèi)容簡介】 在 3~ （ 2）它的顯示的分辨率為 128 64點(diǎn) （ 3）內(nèi)部具有漢字字庫， 16 16 的點(diǎn)陣漢字有 8192 個(gè) （ 4）內(nèi)部具有 16 8點(diǎn)陣字符 128個(gè) （ 5）時(shí)鐘頻率 為 2MHZ （ 6）顯示方式有 STN、半透和正顯 （ 7）驅(qū)動(dòng)方式： 1/32DUTY， 1/5BIAS （ 8）視角方向： 6 點(diǎn) 東華理工大學(xué)（論文） 第 1 章方案設(shè)計(jì)與論證 8 （ 9）背光方式為側(cè)部高亮的白色 LED，功耗特別低 （ 10 具有串行和并口可選 的通訊方式 （ 11）內(nèi)部有 DCDC 的轉(zhuǎn)換電路，不需要外加負(fù)壓 （ 12）不需要片選信號(hào)，這樣可以使軟件設(shè) 計(jì)得到簡化 （ 13）工作溫度范圍比較寬，一般為 0℃ ~ +55℃ ,存儲(chǔ)溫度一般為 20℃ ~ +60℃ 由于本設(shè)計(jì)要求能夠顯示對(duì)象的溫度值、溫度實(shí)時(shí)變化曲線以及對(duì)漢字顯示也做出了要求。 因此，經(jīng)過綜合比較，我們選擇 LCD12864 液晶顯示屏來顯示溫度數(shù)據(jù)以及溫度變化曲線。 鍵盤掃描模塊 鍵盤有編碼式的鍵盤以及非編碼式的鍵盤之分。二者在工作原理以及功能特點(diǎn)方面都有一定的區(qū)別。 方案一：編碼式鍵盤 編碼式鍵盤除了自身帶有按鍵之外，它還附帶有不可或缺的硬件電路，其按鍵的ASCII 碼可以由其自身直接 提供，它還具有抖動(dòng)去除以及具有能夠識(shí)別多按鍵的硬件裝置。由于它可以把按鍵的 ASCII 直接提供出來，因此其軟件程序會(huì)比較簡單，這樣在工作時(shí)可以為 CPU 節(jié)省更多的時(shí)間，但它的硬件電路相對(duì)來說會(huì)非常的復(fù)雜，使用時(shí)的靈活性也非常不夠。 方案二：非編碼式鍵盤 對(duì)于非編碼式鍵盤來說，能夠根據(jù)用戶的需要由若干個(gè)按行、列相互排列，從而構(gòu)成矩陣開關(guān)。對(duì)于其來說，其按鍵之識(shí)別、按鍵之代碼以及抖動(dòng)的去除等都是通過軟件編程來完成的。這種類型的鍵盤其成本會(huì)比較的低，并且因其鍵盤主要由軟件來識(shí)別閉合鍵，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活等特點(diǎn)，因 此被廣泛使用于單片機(jī)系統(tǒng)。 我們本著節(jié)約成本、要求軟硬件電路都能比較容易實(shí)現(xiàn)，因此我們最終果斷選擇了第二種方案，即采用非編碼式鍵盤。 東華理工大學(xué)（論文） 第 1 章方案設(shè)計(jì)與論證 9 組成鍵盤的按鍵有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種。本系統(tǒng)采用的是由機(jī)械觸點(diǎn)構(gòu)成的鍵盤開關(guān)，機(jī)械鍵盤在接觸過程中通常會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，一般可以通過軟件設(shè)計(jì)來完成去抖。 按照行列式鍵盤的結(jié)構(gòu)，按鍵跨接在行、列線的交叉點(diǎn)上，均有上拉電阻。當(dāng)無按鍵被按下時(shí)行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，行線電平發(fā)生了改變，即與該鍵跨接的行、列線瞬間接在一起，如果此時(shí)列線送出低電平 0，則該行線的電平就變?yōu)榈碗娖剑?通過判斷行線電平的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下。由于行列式鍵盤中的行、列線多鍵共用，首先需要對(duì)鍵盤按規(guī)定進(jìn)行編碼，然后對(duì)行、列線逐次分析，準(zhǔn)確識(shí)別按鍵的位置，最后與鍵盤編碼進(jìn)行比對(duì)，準(zhǔn)確識(shí)別出按鍵。 電源模塊的設(shè)計(jì) 在各種工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，比較常見的穩(wěn)壓電源有：交流穩(wěn)壓電源、直流穩(wěn)壓電源、逆變式穩(wěn)壓電源以及開關(guān)穩(wěn)壓電源。由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要在 5V 的直流電源下工作，我們最選擇直流穩(wěn)壓電源作為本系統(tǒng)的供電電源。 直流穩(wěn)壓電源也就是我們通常所說的直流之穩(wěn)壓器。為其提供電壓的通常都是交流電，假如交流之供 電電壓發(fā)生變化，或者說輸出之負(fù)載電阻發(fā)生變化的時(shí)候，穩(wěn)壓電源之直接的輸出電壓一般情況下都會(huì)保持在一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。 直流穩(wěn)壓電源所需要用到的芯片為 7805 三端穩(wěn)壓 IC。 以 7805 的三端穩(wěn)壓 IC所組成得穩(wěn)壓電源要用到比較少的外圍元器件，其電路的內(nèi)部往往有過流、過熱和調(diào)整管等的起保護(hù)作用的電路，運(yùn)用也非常簡單方便，花費(fèi)的成本也不高。 由于類似這樣的三端固定集成的穩(wěn)壓電路使用起來既簡單又方便，電子制作中經(jīng)常采用，本設(shè)計(jì)就是采用的 7805 芯片來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。 東華理工大學(xué)（論文） 第 2章 硬件設(shè)計(jì) 10 第二章 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制框圖 本系統(tǒng)的控制框圖如圖 3所示，其中被控量為溫度、給定量為我們?cè)O(shè)定的“目標(biāo)溫度”、單片機(jī)作為控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)為 IGBT、被控對(duì)象為電加熱杯、 DS18B20 溫度傳感器作為測量變送裝置。 系統(tǒng)工作原理為：來自溫度傳感器所測得的水溫的瞬時(shí)值與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，經(jīng)過單片機(jī)的分析與處理，按照 PID 算法進(jìn)行控制，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu) IGBT 的導(dǎo)通與斷開，從而控制電加熱杯是否加熱，最終達(dá)到溫度控制的目的。 圖 3 系統(tǒng)控制框圖 被控對(duì)象 電熱杯 溫度控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是一個(gè)容量為 2L、額定電壓為 220V 的電熱杯，它的杯體是絕緣的，其加熱絲 能夠與加熱控制電路相連接。電熱杯內(nèi)加滿水后，只要接上220V 電壓就能正常工作。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，要保持電熱杯中的水溫基本不變的條件是：輸送給電熱杯中水的熱量和輸出的熱量相等。此時(shí)電熱杯中水的溫度保持不變。 由于本電熱杯的加熱原理是：利用電阻元件通電發(fā)熱的原理，然后通過熱傳遞，熱量由溫度高的加熱絲傳遞給電熱杯中的水；不斷地給加熱絲加熱并同時(shí)進(jìn)行熱傳遞，最終達(dá)到讓水溫升高的目的。 本電熱杯在安全性方面的設(shè)計(jì)也很有特點(diǎn)：杯體分為兩層，杯體內(nèi)部采用的是不銹鋼材質(zhì)，這樣可以加快熱量的傳遞，時(shí)水溫升高的比較快，既省時(shí) 又省電；外面一層采用的是耐高溫的安全型塑料，一方面它可以起到絕緣的作用，另一方面還有絕熱東華理工大學(xué)（論文） 第 2章 硬件設(shè)計(jì) 11 的作用，這讓我們使用起來不僅方便、安全，而且保溫效果也比較好。 本電熱杯還有一個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，就是為 DS18B20 測溫探頭預(yù)留了孔位，方便測溫。 溫度檢測 溫度檢測是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，我們選用 DS18B20 溫度傳感器作為溫度檢測的元件。 DS18B20 溫度傳感器工作原理框圖如圖 4 所示： 圖 4 DS18B20 溫度傳感器工作原理框圖 低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響 很小，它用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0時(shí)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1 重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出 用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。 溫度檢測電路模塊如圖 5 所示。其中 DQ 作為數(shù)字信號(hào)的輸入 /輸出的端口； GND 為電源接地地； VCC 是外接電源的輸入端。 圖 5溫度檢測電路 東華理工大學(xué)（論文） 第 2章 硬件設(shè)計(jì) 12 數(shù)字信號(hào)輸入輸出端口接單片機(jī) ，溫度傳感器檢測到的溫度就是通過該端口傳送給單片機(jī)，然后由單片機(jī)分析處理。該電路還必須接一個(gè) ，以增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力。 DS18B20 的上拉電阻的阻值是一個(gè)需要注意的參數(shù)，如果DS18B20 放置 的位置離電路板較遠(yuǎn)，需要用較長的電纜來連接時(shí)，上拉電阻要相應(yīng)減小，以彌補(bǔ)線路損耗，而且連接電纜要選用優(yōu)質(zhì)的三芯帶屏蔽層的電纜，否則不能正常讀寫數(shù)據(jù)。 執(zhí)行環(huán)節(jié) 所謂的執(zhí)行環(huán)節(jié)就是系統(tǒng)的加熱控制部分，其主要的功能元件為 IGBT。 它是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動(dòng)電流跟驅(qū)動(dòng)功率都非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。它和普通三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，它主要是作為開關(guān)器件來應(yīng)用。 其控制端口通過合適的驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)相連，這樣就可以通過單片機(jī)來控制它的導(dǎo) 通與斷開，從而控制電加熱杯是否加熱。使 IGBT 開通的柵射極驅(qū)動(dòng)電壓一般取15~20V，所以我們選用輸出電壓為 15V的驅(qū)動(dòng)電壓來驅(qū)動(dòng) IGBT，為了滿足我們的設(shè)計(jì)要求我們采用 M57962L 型 IGBT 驅(qū)動(dòng)器作為器驅(qū)動(dòng)，其原理圖如圖 6 所示： 圖 6 M57962L 型 IGBT 驅(qū)動(dòng)器原理圖 M57962L 具有高速的輸入輸出隔離，輸入電平與 TTL電平兼容，適于單片機(jī)控制；內(nèi)部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性；采用雙電源供電方式，使 IGBT 更可靠地通斷。其相應(yīng)的電路圖如圖 7 所示： 東華理工大學(xué)（論文） 第 2章 硬件設(shè)計(jì) 13 圖 7 IGBT 驅(qū)動(dòng) 電路 其工作過程為： 電源接通后，首先檢測 IGBT 是否有過載與短路現(xiàn)象，若有，則IGBT 的 C 極電位升高，經(jīng)外接二極管 VD1 流入檢測電路的電流增加，柵極關(guān)斷電路動(dòng)作，切斷 IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)在“ 8”腳輸出高電平報(bào)警信號(hào)。 IGBT 正常時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)光電耦合，接口電路，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大后驅(qū)動(dòng) IGBT?？墒瞧涔ぷ鬟^程需雙電源供電，且通電后或保護(hù)復(fù)位后均須一定的自 檢時(shí)間（ 1~2181。s），在工作頻率或控制精度較高的場合需引起注意。 溫度控制本次設(shè)計(jì)所采用的控制方式是直流脈沖寬度調(diào)制法，加熱絲接在 Uo 兩端； IGBT 的信號(hào)控制管腳通過驅(qū)動(dòng)電路接到單片機(jī)的 ，用于接收單片機(jī)的高低電平控制信號(hào)。此法就是通過控制全空型器件 IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷來控制接在加熱絲兩端的電壓，從而達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的效果。其原理如圖 8所示： 圖 8降壓斬波電路 降壓斬波原理圖如圖 8，當(dāng) VT1 導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電，則 Uo= Ui，負(fù)載電流按東華理工大學(xué)（論文） 第 2章 硬件設(shè)計(jì) 14 指數(shù)曲線上升；當(dāng) VT1關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管 VD1 續(xù)流，負(fù)載電壓近似為 0。負(fù)載電流按指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且 脈動(dòng)小，通常串接 L1值較大的電感。 單片機(jī)模塊 單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì) 51 系列單片機(jī)來說 ,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括 :單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。如圖 9所示為本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖。 圖 9 單片機(jī)最小系統(tǒng) 復(fù)位電路：有電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合電容電壓不能突變的性質(zhì)，可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電， RST 腳將出現(xiàn)高電平，并且這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的 RC值來確定。典型的 51 單片機(jī)當(dāng) RST 腳的高電平 持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位，所以適當(dāng)組合 RC 的取值就可以保證可靠復(fù)位。 復(fù)位電路的原理是單片機(jī) RST 引腳接收到 2181。s 以上的電平信號(hào)，只要保證電容的充放電時(shí)間大于 2181。s，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，所以電路中的電容值是可以改變的。按鍵按下系統(tǒng)復(fù)位，是電容處于一個(gè)短路電路中，釋放了所有的電能，電阻兩端的電壓增加所引起的。 時(shí)鐘電路：典型的晶振取 ，用于有串口通迅的場合。 單片機(jī)模塊接線圖如圖 10 所示： 東華理工大學(xué)（論文） 第 2章 硬件設(shè)計(jì) 15 圖 10 單片機(jī)接線圖 按照單片機(jī) I/O 口的分配，將各個(gè)模塊分別接在單片機(jī)相應(yīng)的 I/O 口線上，單片機(jī) 上電復(fù)位后，各模塊就可以根據(jù)各子程序的執(zhí)行而執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。在單片機(jī)的精確控制下，各模塊都按照一定的控制規(guī)律有序且穩(wěn)定的工作，從而最終達(dá)到控制水溫的目的。 鍵盤與顯示 單片機(jī)所用的鍵盤有編碼鍵盤和非編碼鍵盤之兩種。 ，還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路。只要按下編碼鍵盤的某個(gè)鍵，他就能夠產(chǎn)生該鍵的代碼，并稱為鍵碼。與此同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，以通知 CPU 接受鍵碼，編碼鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是使用比較方便，亦不需編寫太復(fù)雜的程序。其缺點(diǎn)是使用的硬件電路較復(fù)雜。 、列矩陣形式 的。按鍵的作用僅僅是簡單的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的接通或斷開，因此必須有一套相應(yīng)的程序與支配合，才能產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼，非編碼鍵盤幾乎不需要附加什么硬件電路。 因此為了簡潔電路，我們使用非編碼鍵盤。但使用非編碼鍵盤還需要使用軟件來東華理工大學(xué)（論文） 第 2章 硬件設(shè)計(jì) 16 解決按鍵的識(shí)別，防抖動(dòng)以及如何產(chǎn)生鍵碼的問題。用單片機(jī)